DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2008

TUGAS AKHIR ANALISIS PERBANDINGAN KARAKTERISTIK LUAR GENERATOR ARUS SEARAH PENGUATAN BEBAS DENGAN GENERATOR ARUS SEARAH PENGUATAN SHUNT (Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT –USU)

O L E H

ARWINSYAH 030402023 The image cannot be display ed. Your computer may not hav e enough memory to open the image, or the image may hav e been corrupted. Restart y our computer, and then open the file again. If the red x still appears, y ou may hav e to delete the image and then insert it again.

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN 2008

Arwinsyah : Analisis Perbandingan Karakteristik Luar Generator Arus Searah Penguatan Bebas Dengan Generator Arus Searah Penguat Shunt, 2008. USU Repository © 2009

ABSTRAK

Generator DC digunakan untuk peralatan yang membutuhkan supply arus searah. Berdasarkan cara memberikan fluks pada kumparan medannya, generator DC dikelompokkan menjadi dua yaitu generator berpenguatan bebas dan generator berpenguatan sendiri. Karakteristik yang ada pada generator DC antara lain karakteristik beban nol, karakterik berbeban, dan karakteristik luar. Karakteristik luar sebuah generator DC menunjukkan bagaimana perubahan tegangan terminal ( Vt ) terhadap beban yang berubah – ubah. Karakteristik terminal generator DC penguatan shunt berbeda dengan generator DC penguatan bebas karena besar arus medannya tergantung pada tegangan terminal. Ketika beban pada generator dinaikan maka arus saluran IL akan naik sehingga arus jangkar Ia juga naik. Kenaikkan Ia menyebabkan kenaikan drop tegangan pada resistansi jangkar IaRa , sehingga tegangan terminal akan turun. Dalam tugas akhir ini penulis akan melakukan pengujian perbandingan karakteristik luar generator DC shunt dengan generator DC penguatan bebas sehingga akan diketahui perbedaan penurunan tegangan terminal pada masing-masing generator tersebut .

iv Arwinsyah : Analisis Perbandingan Karakteristik Luar Generator Arus Searah Penguatan Bebas Dengan Generator Arus Searah Penguat Shunt, 2008. USU Repository © 2009

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR……………………………………………………………

i

ABSTRAK……………………………………………………………………….. iv DAFTAR ISI …………………………………………………………………….. v DAFTAR GAMBAR……………………………………………………………..viii BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar belakang…………………………………………………………. 1 I.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan………………………………………… 2 I.3 Batasan Masalah……………………………………………………….. 2 I.4 Metode Penulisan……………………………………………………… 3 I.5 Sistematika Penulisan………………………………………………….. 4 BAB II GENERATOR ARUS SEARAH II.1 Umum………………………………………………………………… 6 II.2 Konstruksi Generator Arus Searah…………………………………… 6 II.3 Prinsip Kerja Generator Arus Searah………………………………… 13 II.4 Prinsip Penyearah…………………………………………………….. 15 II.5 Reaksi Jangkar……………………………………………………….. 18 II.6 Pembangkitan Tegangan Induksi pada Generator Arus Searah……... 20 II.7 Pengaturan Tegangan Generator Arus Searah………………………. 22 II.8 Jenis-jenis Generator Arus Searah…………………………………… 23

v Arwinsyah : Analisis Perbandingan Karakteristik Luar Generator Arus Searah Penguatan Bebas Dengan Generator Arus Searah Penguat Shunt, 2008. USU Repository © 2009

II.8.1 Generator Arus Searah Berpenguatan Bebas………………. 23 II.8.2 Generator Arus Searah Berpenguatan Sendiri……………… 24 BAB III GENERATOR DC PENGUATAN BEBAS DAN GENERATOR DC PENGUATAN SHUNT III.1 Generator DC Penguatan Bebas…………………………………….. 28 III.2 Karakteristik Generator DC Penguatan Bebas……………………… 29 III.2.1 Karakteristik Beban Nol…………………………………... 29 III.2.2 Karakteristik Berbeban……………………………………. 31 III.2.3 Karakteristik Luar…………………………………………. 32 III.3 Generator DC Penguatan Shunt…………………………………….. 34 III.4 Karakteristik Generator DC Penguatan Shunt……………………… 35 III.4.1 Karakteristik Beban Nol…………………………………... 35 III.4.2 Karakteristik Berbeban……………………………………. 37 III.4.3 Karakteristik Luar…………………………………………. 38 BAB IV PERBANDINGAN KARAKTERISTIK LUAR GENERATOR DC PENGUATAN BEBAS DAN GENERATOR DC PENGUATAN SHUNT IV.1 Pengujian Karakteristik Luar Generator DC Penguatan Bebas Dan Generator DC Penguatan Shunt…………………………………….. 40 IV.1.1 Umum……………………………………………………… 40 IV.1.2 Peralatan Yang Digunakan………………………………... 40

vi Arwinsyah : Analisis Perbandingan Karakteristik Luar Generator Arus Searah Penguatan Bebas Dengan Generator Arus Searah Penguat Shunt, 2008. USU Repository © 2009

IV.1.3 Percobaan Karakteristik Luar Untuk Generator DC Penguatan Shunt……………………………………………………… 41 IV.1.3.1 Umum……………………………………………….. 41 IV.1.3.2 Rangkaian Percobaan………………………………... 42 IV.1.3.3 Prosedur Percobaan………………………………….. 42 IV.1.3.4 Data Hasil Percobaan………………………………... 43 IV.1.4 Percobaan Karakteristik Luar Untuk Generator DC Penguatan Bebas……………………………………………………… 44 IV.1.4.1 Umum……………………………………………….. 44 IV.1.4.2 Rangkaian Percobaan……………………………….. 44 IV.1.4.3 Prosedur Percobaan…………………………………. 45 IV.1.4.4 Data Hasil Percobaan……………………………….. 46 IV.2 Analisis Karakteristik Luar Generator DC penguatan Bebas Dengan Generator DC Penguatan Shunt…………………………………….. 47 BAB V PENUTUP……………………………………………………………….. 55 DAFTAR PUSTAKA

vii Arwinsyah : Analisis Perbandingan Karakteristik Luar Generator Arus Searah Penguatan Bebas Dengan Generator Arus Searah Penguat Shunt, 2008. USU Repository © 2009

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Konstruksi generator Arus Searah………………………………….. 6 Gambar 2.2. Rangka generator Arus Searah……………………………………..

7

Gambar 2.3. Kutub Magnet Mesin Arus Searah ...................................................

8

Gambar 2.4. Konstruksi Sikat…………………………………………………….

9

Gambar 2.5. Konstruksi komutator……………………………………………… 10 Gambar 2.6. Konstruksi Jangkar Generator Arus Searah....................................... 10 Gambar 2.7. Bentuk Umum Belitan Jangkar......................................................... 11 Gambar 2.8. Belitan Progresif dan Kumparan Retrogresif.................................... 12 Gambar 2.9. Suatu penghantar yang diputar dalam medan magnet....................... 13 Gambar 2.10. Bentuk gelombang tegangan yang dihasilkan ................................ 13 Gambar 2.11. Suatu penghantar yang ditembus oleh fluksi.................................. 16 Gambar 2.12. Ilustrasi proses penyearahan........................................................... 17 Gambar 2.13. Bentuk gelombang tegangan hasil dari proses penyearahan........... 18 Gambar 2.14. Proses terjadinya reaksi jangkar..................................................... 19 Gambar 2.15. Proses pergeseran bidang netral...................................................... 20 Gambar 2.16. Proses pembangkitan tegangan pada generator arus searah............ 21 Gambar 2.17. Rangkaian Generator DC Penguatan Bebas ................................... 23 Gambar 2.18. Rangkaian Generator DC Shunt ..................................................... 24 Gambar 2.19. Rangkaian Generator DC Seri ........................................................ 25

viii Arwinsyah : Analisis Perbandingan Karakteristik Luar Generator Arus Searah Penguatan Bebas Dengan Generator Arus Searah Penguat Shunt, 2008. USU Repository © 2009

Gambar 2.20. Rangkaian Generator DC Kompon Panjang.................................... 25 Gambar 2.21. Rangkaian Generator DC Kompon Pendek ................................... 26 Gambar 2.22. Diagram Aliran Daya Generator DC............................................... 26 Gambar 3.1. Rangkaian Ekivalen Generator DC Penguatan Bebas....................... 28 Gambar 3.2. Kurva Beban nol Generator DC Penguatan Bebas............................ 30 Gambar 3.3. Kurva Berbeban Generator DC Penguatan Bebas............................. 31 Gambar 3.4. Kurva Karakteristik Terminal Generator DC Penguatan Bebas........ 33 Gambar 3.5. Rangkaian Ekivalen Generator DC Shunt.......................................... 34 Gambar 3.6. Kurva Beban Nol secara teoritis........................................................ 36 Gambar 3.7. Kurva Beban Nol sebenarnya............................................................ 37 Gambar 3.8. Kurva Karakteristik luar Generator DC Shunt.................................. 39 Gambar 4.1. Rangkaian Percobaan Karakteristik Luar.......................................... 42 Gambar 4.2 Rangkaian Percobaan karakteristik Luar Generator DC Penguatan Bebas................................................................................................. 44 Gambar 4.3. Kurva Karakteristik Luar Generator DC Shunt Secara Teori............ 49 Gambar 4.4. Kurva Karakteristik Luar Generator DC Shunt yang di dapat dalam Pengujian............................................................................................ 49 Gambar 4.5. Kurva Karakteristik Luar Generator DC Penguatan Bebas Secara Teori................................................................................................... 52 Gambar 4.6. Kurva Karakteristik Luar Generator DC Penguatan Bebas Pada Pengujian............................................................................................ 52

ix Arwinsyah : Analisis Perbandingan Karakteristik Luar Generator Arus Searah Penguatan Bebas Dengan Generator Arus Searah Penguat Shunt, 2008. USU Repository © 2009

Gambar 4.7. Kurva Perbandingan Karakteristik Luar Generator DC Shunt Dengan Generator DC Penguatan Bebas........................................................ 54

x Arwinsyah : Analisis Perbandingan Karakteristik Luar Generator Arus Searah Penguatan Bebas Dengan Generator Arus Searah Penguat Shunt, 2008. USU Repository © 2009

BAB I PENDAHULUAN

I.1. Latar Belakang Masalah Generator DC merupakan mesin DC yang digunakan untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Secara umum generator DC adalah tidak berbeda dengan motor DC kecuali pada arah aliran daya. Berdasarkan cara memberikan fluks pada kumparan medannya, generator arus searah (DC) dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu generator berpenguatan bebas dan generator berpenguatan sendiri. Generator DC berpenguatan bebas merupakan generator yang mana arus medannya di suplai dari sumber DC eksternal. Tegangan searah yang dipasangkan pada kumparan medan yang mempunyai tahanan Rf akan menghasilkan arus If dan menimbulkan fluks pada kedua kutub. Tegangan induksi akan dibangkitkan pada generator. Karena tegangan Ea tidak tergantung pada Ia maka karakteristik terminal generator penguatan bebas adalah berupa garis lurus. Ketika beban yang disuplai generator naik maka arus jangkar Ia naik dan drop IaRa naik sehingga tegangan terminal generator akan jatuh. Karakteristik terminal generator DC shunt berbeda dengan generator DC berpenguatan bebas oleh karena besar arus medannya tergantung pada tegangan terminal. Ketika beban pada generator dinaikan arus saluran IL akan naik sehingga arus jangkar Ia juga naik. Kenaikkan Ia menyebabkan kenaikan drop tegangan pada resistansi jangkar IaRa , sehingga tegangan terminal akan

1 Arwinsyah : Analisis Perbandingan Karakteristik Luar Generator Arus Searah Penguatan Bebas Dengan Generator Arus Searah Penguat Shunt, 2008. USU Repository © 2009

turun. Ketika tegangan terminal turun arus medan pada mesin ikut turun. Ini menyebabkan fluks pada mesin turun sehingga nilai Ea turun yang menyebabkan tegangan terminal akan turun lebih jauh. Dengan demikian, perlu dilakukan pengujian generator DC penguatan bebas dengan generator DC shunt berupa analisa data-data yang diambil dari laboratorium. Pengujian ini dilakukan untuk membandingkan karakteristik tegangan terminal terhadap arus beban dari kedua jenis generator DC tersebut.

I.2. Tujuan Dan Manfaat Penulisan Adapun tujuan dari penulisan tugas akhir ini adalah untuk mengetahui perbandingan karakeristik luar dari generator DC penguatan bebas dengan generator DC shunt. Manfaat penulisan tugas akhir ini bagi penulis adalah mendapatkan pengertian dan penjelasan tentang karakteristik generator DC penguatan bebas dan generator DC shunt untuk keadaan beban yang berubah-ubah. Sedangkan bagi para pembaca, diharapkan semoga tugas akhir ini dapat menjadi sumbangan dalam memperkaya pengetahuan dan memberikan kesempatan untuk mempelajarinya lebih lanjut.

I.3. Batasan Masalah Untuk membatasi materi yang akan dibicarakan pada tugas akhir ini, maka penulis perlu membuat batasan cakupan masalah yang akan dibahas. Hal ini diperbuat supaya isi dan pembahasan dari tugas akhir ini menjadi lebih


terarah dan dapat mencapai hasil yang diharapkan. Adapun batasan masalah pada penulisan tugas akhir ini adalah : 1. Jenis generator yang digunakan dalam percobaan ini adalah generator DC penguatan bebas dan generator DC shunt. 2. Tidak membahas motor arus searah ( DC ). 3. Tidak membahas karakteristik beban nol dan karakteristik berbeban dari generator DC. 4. Spesifikasi generator DC yang digunakan untuk percobaan adalah generator DC buatan Pabrik AEG – Jerman pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT USU.

I.4. Metode Penulisan Untuk dapat menyelesaikan tugas akhir ini maka penulis menerapkan beberapa metode studi diantaranya : 1. Studi literatur yaitu dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan topik tugas akhir ini dari

buku-buku referensi baik yang

dimiliki oleh penulis atau di perpustakaan dan juga dari artikel-artikel, jurnal dan lain-lain. 2. Studi

lapangan

yaitu

dengan

melaksanakan

percobaan

di

Laboratorium Konversi Energi Listrik FT USU. 3. Studi bimbingan yaitu dengan melakukan diskusi tentang topik tugas akhir ini dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk oleh pihak departemen Teknik Elektro USU, dengan dosen-dosen bidang


Konversi Energi Listrik, asisten Laboratorium Konversi Energi Listrik dan teman-teman sesama mahasiswa.

I.5. Sistematika Penulisan Untuk memudahkan pemahaman terhadap Tugas Akhir ini maka penulis menyusun sitematika penulisan sebagai berikut : BAB I

: PENDAHULUAN Bab ini merupakan pendahuluan yang berisikan tentang latar belakang masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, manfaat penulisan, metode penulisan, dan sistematika penulisan.

BAB II : GENERATOR ARUS SEARAH Bab ini menjelaskan tentang generator arus searah secara umum, konstruksi, prinsip kerja, tegangan induksi generator arus searah, pengaturan tegangan, reaksi jangkar, sistem penyearah, dan jenisjenis generator. BAB III : GENERATOR DC PENGUATAN BEBAS DAN GENERATOR DC PENGUATAN SHUNT Bab ini menjelaskan tentang karakteristik generator DC penguatan bebas dan generator DC shunt BAB IV : PERBANDINGAN KARAKTERISTIK LUAR GENERATOR DC PENGUATAN BEBAS DAN GENERATOR DC SHUNT Bab ini menjelaskan tentang penerapan pengujian karakteristik luar generator DC penguatan bebas dan generator DC shunt yaitu dengan


melaksanakan percobaan pada di Laboratorium Konversi Energi Listrik Departemen Teknik Elektro FT USU. BAB V : PENUTUP Bab ini berisi tentang kesimpulan dari hasil percobaan.


BAB II GENERATOR ARUS SEARAH II.1. Umum Generator arus searah mempunyai komponen dasar yang umumnya hampir sama dengan komponen mesin – mesin listrik lainnya. Secara garis besar generator arus searah adalah alat yang mengkonversikan energi mekanis berupa putaran menjadi energi listrik arus searah. Yang membedakannya dengan generator lain yaitu terletak pada komponen penyearah yang terdapat didalamnya yang disebut dengan

komutator dan sikat.

II.2. Konstruksi Generator Arus Searah Secara umum generator arus searah memiliki konstruksi yang terdiri atas dua bagian yaitu bagian yang berputar ( rotor ) dan bagian yang diam ( stator ). Yang termasuk stator adalah rangka, komponen magnet dan kompon komponen en sikat. Sedangkan yang termasuk rotor adalah jangkar, kumparan jangkar dan komutator. Secara umum konstruksi generator arus searah adalah seperti gambar berikut :

rangka

Gambar 2.1 Konstruksi generator Arus Searah


1. Badan Generator ( Rangka ) Rangka motor arus searah secara umum memiliki dua fungsi, yaitu :

a. Merupakan sarana pendukung mekanis untuk mesin secara keseluruhan, seperti meletakkan alat – alat tertentu dan melindungi bagian – bagian mesin

lainnya. b. Sebagai bagian dari tempat mengalirnya fluks magnetik yang dihasilkan oleh kutub-kutub mesin. Untuk mesin kecil, dimana pertimbangan harga lebih dominan daripada beratnya, biasanya rangka terbuat dari besi tuang, tetapi untuk mesin-mesin besar pada umumnya terbuat dari baja tuang atau baja lembaran. Pada badan generator juga terdapat name plate yang berisi informasi spesifikasi secara umum atau data – data teknik dari generator, serta kotak tempat terminal dari kumparan medan maupun

jangkar.

Gambar 2.2 Rangka generator Arus Searah

Rangka ini pada bagian dalamnya dilaminasi untuk mengurangi rugi-rugi inti, selain itu rangka juga harus memiliki permeabilitas yang tinggi untuk memperkecil

rugi – rugi histeresis, disamping kuat secara mekanis.


2. Magnet penguat dan kumparan penguat medan Sebagaimana diketahui bahwa fluks magnet yang terdapat pada generator arus searah dihasilkan oleh kutub magnet buatan yang dihasilkan dengan prinsip elektromagnetik. Magnet penguat terdiri dari inti kutub dan sepatu kutub (lihat

Gambar 2.3). Adapun fungsi dari sepatu kutub adalah : a. Menyebarkan fluks pada celah udara dan juga karena merupakan bidang lebar, maka akan mengurangi reluktansi jalur magnet.

b. Sebagai pendukung secara mekanis untuk kumparan penguat atau kumparan medan. Inti kutub terbuat dari lembaran-lembaran besi tuang atau baja tuang. Sepatu kutub dilaminasi dan di baut ke inti kutub. Sedangkan kutub (inti kutub dan sepatu kutub) dibaut atau dikeling ke rangka mesin. Inti Kutub Yang Dilaminasi

Kumparan Penguat (Kumparan Medan) Sepatu Kutub Yang Dilaminasi

Gambar 2.3 Kutub Magnet Mesin Arus Searah

Kumparan penguat atau kumparan kutub terbuat dari kawat tembaga (berbentuk bulat atau strip/persegi), yang dililitkan sedemikian rupa dengan ukuran tertentu (lihat Gambar 2.3). Lilitan penguat magnet berfungsi untuk mengalirkan arus listrik untuk terjadinya proses elektromagnetik.


3. Sikat Sikat terbuat dari karbon, grafit , logam grafit, atau campuran karbon-grafit, yang dilengkapi dengan pegas penekan dan kotak sikat. Besarnya tekanan pegas dapat diatur sesuai dengan keinginan. Permukaan sikat ditekan ke permukaan segmen komutator untuk menyalurkan arus listrik. Karbon yang ada diusahakan memiliki konduktivitas yang tinggi untuk mengurangi rugi-rugi listrik, dan koefisien

gesekan yang rendah untuk mengurangi keausan. Agar gesekan antara komutator dan sikat tidak mengakibatkan ausnya komutator, maka sikat harus lebih lunak daripada komutator. Sikat ini berfungsi untuk sebagai jembatan bagi aliran arus ke kumparan

jangkar, selain itu memegang peranan penting untuk terjadinya komutasi.

Gambar 2.4 Konstruksi Sikat

4. Komutator Komutator terbuat dari batangan tembaga yang dikeraskan, yang diisolasi dengan bahan sejenis mika. Adapun fungsi komutator ini adalah untuk

mengumpulkan arus listrik induksi dari konduktor jangkar dan mengkonversikannya menjadi arus searah melalui sikat yang disebut komutasi.


Commutator Lugs

Segmen Tembaga Yang Diisolasi

Ujung Kelem

Gambar 2.5 Konstruksi komutator

5. Inti Jangkar Inti jangkar generator arus searah berbentuk silinder yang diberi alur-alur pada

permukaannya

untuk

tempat

melilitkan

kumparan-kumparan

tempat

terbentuknya GGL induksi. Inti jangkar dibuat dari bahan ferromagnetik, dengan maksud agar kumparan-kumparan (lilitan jangkar) terletak dalam daerah yang induksi magnetnya besar, supaya GGL induksi yang terbentuk dapat bertambah

besar.

Gambar 2.6 Konstruksi Jangkar Generator Arus Searah


Seperti halnya inti kutub magnet, maka jangkar dibuat dari bahan berlapislapis tipis untuk mengurangi panas yang terbentuk karena adanya arus pusar (eddy

current). Bahan yang digunakan untuk jangkar ini sejenis campuran baja silicon dan pada umumnya alur tidak hanya diisi satu kumparan yang tersusun secara berlapis.

6. Belitan Jangkar Pada generator arus searah, belitan jangkar berfungsi sebagai tempat terbentuknya ggl induksi. Umumnya kumparan jangkar (rotor) berbentuk seperti permata, seperti pada gambar berikut :

Gambar 2.7 Bentuk Umum Belitan Jangkar

Adapun jumlah konduktor dalam belitan jangkar tersebut : Z = 2CN……...………..….…………. ………......( 2.1 ) Di mana : C = jumlah belitan pada rotor atau segmen komutator pada rotor N = jumlah lilitan setiap belitan . Normalnya bentangan belitan

adalah 1800 listrik, yang berarti ketika sisi

belitan yang satu berada di tenga tengah h suatu kutub, sisi lainnya berada di tengah kutub yang berbeda polaritasnya. Sedangkan secara fisik kutub yang ada tidak saling

terletak 1800 mekanis. Adapun untuk menentukan hubungan sudut dalam derajat mekanis dan derajat listrik, dapat digunakan formula berikut : θlistrik =

p θmekanis …………………………………..……( 2.2 ) 2


Di mana : θlistrik

= sudut dalam derajat listrik

P

= jumlah kutub

θmekanis

= sudut dalam derajat mekanis

belitan yang membentang 1800 listrik memiliki tegangan yang sama antar

sisi-sisinya dan berlawanan arah setiap waktu. Belitan ini disebut sebagai kumparan kisar penuh (full-pitch coil). Sedangkan belitan yang bentangannya kurang dari kisaran kutubnya (1800

listrik) disebut sebagai belitan kisar fraksi (fractional-pitch coil) atau kumparan tali busur (chorded winding). Adapun hubungan antara belitan rotor dengan segmen komutatornya terbagi

atas 2 macam : 1. Belitan Progresif (Progressive winding). Adalah belitan yang sisi belakangnya dihubungkan ke sebuah segmen komutator mendahului kumparan sebelumnya.

2. Belitan Retrogresif (Retrogressive winding). Adalah kumparan yang sisi belakangnya dihubungkan ke sebuah segmen komutator membelakangi belitan sebelumnya.

Gambar 2.8 Belitan Progresif dan Kumparan Retrogresif


II. 3. Prinsip Kerja Generator Arus Searah Suatu generator arus searah bekerja berdasarkan prinsip induksi magnetis sesuai dengan Hukum Faraday. Bila sebuah penghantar dalam medan magnet maka pada penghantar akan diinduksikan tegangan bolak-balik.

Gambar 2.9. Suatu penghantar yang diputar dalam medan magnet

Medan magnetnya dihasilkan oleh kumparan medan sedangkan untuk menghasilkan efek perubahan fluksi maka belitan penghantar diputar oleh prime mover. Tegangan yang dihasilkan dapat terlihat pada gambar di bawah ini :

Gambar 2.10. Bentuk gelombang tegangan yang dihasilkan


Posisi I : fluksi yang menembus belitan maksimum tapi perubahan fluksi adalah minimum. Ini disebabkan belitan AB dan CD tidak terpotong fluksi sehingga EMF = 0 Posisi III : fluksi yang menembus belitan minimum tapi perubahan fluksi adalah maksimum akibatnya EMF yang terinduksi juga maksimum. Untuk posisi putaran berikutnya sama dengan posisi di atas yaitu untuk posisi I EMF induksi maksimum, posisi F maksimum. Apabila terminal-terminal dari generator dihubungkan ke beban maka akan terbentuk atau mengalir arus. Karena tegangan induksi adalah bolak – balik maka arus induksinya juga boleak balik. Tegangan bolak balik inilah yang akan disearahkan dengan komutator yang akan diuraikan berikutnya. Persamaan tegangan bolak – balik yang dihasilkan dalam hal ini dapat diturunkan dari hukum Faraday, yaitu : e=−N

dΦ ........................................................................ (2.3) dt

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa fluksi yang dihasilkan adalah fluksi yang berubah terhadap waktu dan berbentuk sinusoidal, maka persamaan fluks dalam rangkaian kumparan adalah :

Φ = Φm Cos ωt .................................................................... (2.4) dΦ = - ω Φm Sin ωt dt Maka persamaan (2.9) di atas dapat diturunkan menjadi : e = - N – ω Φm Sin ωt dt dt e = N ω Φm Sin ωt ............................................................. (2.5)


Tegangan induksi ini akan mencapai maksimum pada saat wt = π/2 rad, maka tegangan induksi maksimum : Emax = N Φm ω...................................................................... (2.6) Persamaan (2.11) di atas dapat ditulis menjadi : e = Emax Sin ωt .................................................................... (2.7) Untuk harga efektif dari tegangan yang dihasilkan adalah :

E eff = E eff =

E max 2

=

N Φω 2

2π f N Φ 2

E eff = 4,44 N Φ f

(Volt) ……………………………… (2.8)

Emf yang dihasilkan berupa siklus sinusoidal tegangan bolak-balik. Dengan cincin komutasi yang segmen-segmennya terhubung dengan ujung konduktor jangkar, menyebabkan perubahan pada tegangan keluarannya menjadi tegangan yang searah. Proses ini dinamakan proses komutasi. Tentang komutasi ini akan dijelaskan pada pembahasan selanjutnya.

II.4. Prinsip Penyearah Pada dasarnya tegangan dan arus yang dihasilkan oleh generator adalah bolak–balik, maka untuk menjadi generator DC perlu dilakukan penyearahan, penyearahan ini dilakukan dengan komutator yang bentuknya sama dengan cincin seret tapi dibelah dua dan disatukan kembali dengan isolator. Masing – masing belahan komutator dihubungkan dengan sisi kumparan tempat terbentuknya GGL.


Komutaor I dihubungkan dengan sisi AB dan komutator II dihubungkan dengan sisi CD ( lihat gambar di bawah ini )

Gambar 2.11. Suatu penghantar yang ditembus oleh fluksi

Jika bahan kumparan ABCD berputar, maka sikat – sikat akan bergesekan dengan komutator – komutator secara bergantian. Peristiwa komutasi inilah yang menyebabkan terjadinya penyearahan yang prinsipnya adalah : 1. Mula – mula sisi AB berada pada kedudukan 0 dan sisi CD berada pada kedudukan yang berlawanan yaitu b. pada saat ini tentu saja pada sisi AB dan CD tidak berbentuk GGL. Pada saat ini pula sikat – sikat berhubungan dengan kedua komutator. Ini berarti sikat – sikat mempunyai potensial 0. 2. Kumparan berputar terus yang dalam hal ini sisi AB bergerak di sebelah utara (dari kedudukan 0 menuju 3) dan sisi CD bergerak di daerah selatan. Sesuai dengan hukum tangan kanan maka GGL yang terbentuk pada sisi AB arahnya menuju kita, sedangkan pada sisi CD mendekati kita. Jika arus listrik di dalam


sumber mengalir dari ( - ) ke ( + ), maka pada saat itu komutator I dan sikat E berpotensial negatif, sedangkan komutator II dan sikat F berpotensial positif.

Gambar 2.12. Ilustrasi proses penyearahan

3. pada saat sisi kumparan AB sampai pada kedudukan 6 dan CD kedudukan 12, maka pada saat ini sikat – sikat berpotensial 0 karena GGL induksi yang terbentuk pada masing – masing sisi kumparan adalah 0, sikat – sikat hanya berhubungan dengan isolator. 4. kumparan ABCD bergerak terus, sisi AB bergerak di daerah selatan (dari kedudukan 6 menuju 12) sehingga GGL yang terbentuk pada sisi kumparan AB arahnya mendekati kita, sebaliknya pada sisi CD. Pada saat itu komutator I dan sikat F berpotensial positif sedangkan komutator II dan sikat E negatif. Sehingga tegangan yang diinduksikan adalah :


Gambar 2.13. Bentuk gelombang tegangan hasil dari proses penyearahan

Pada saat ini terjadi pergantian arah arus pada harga negative ke positif pada suatu kumparan yang menghasilkannya dan peristiwa inilah yang disebut dengan komutasi. Peristiwa ini akan terjadi bila kumparan melewati garis netral pada waktu kumparan – kumparan tersebut bergerak dari daerah antara permukaan kutub utara ke selatan atau sebaliknya.

II.5. Reaksi Jangkar Jika generator arus searah dihubungkan ke beban melalui terminal out-put, maka arus listrik akan mengalir pada kumparan jangkarnya. Aliran arus ini akan menghasilkan fluksi medan magnet sendiri, yang akan mempengaruhi (distort) fluksi medan magnet yang telah ada sebelumnya dari kutub mesin. Pada keadaan ini fluks yang dihasilkan oleh generator akan menjadi berkurang karena arah kedua vektor fluksi magnetis tadi saling berlawanan. Adanya pengaruh fluksi magnetic yang ditimbulkan akibat arus beban ini dinamakan reaksi jangkar. Reaksi jangkar ini akan menimbulkan dua masalah yakni:


Masalah pertama yang disebabkan oleh reaksi jangkar adalah pergeseran bidang netral (neutral plane). Bidang netral magnetis didefinisikan sebagai bidang di dalam mesin dimana kecepatan gerak kumparan rotor benar-benar paralel dengan garis fluks magnet, sehingga induksi ggl pada bidang konduktor tersebut benar-benar nol.

Gambar 2.14. Proses terjadinya reaksi jangkar

Pada saat belum dibebani, sumbu sikat terletak pada garis netral magnetik yang tegak lurus terhadap fluksi utama, yaitu menurut garis OA. Sedangkan fluks utama Φu pada generator digambarkan menurut garis OB. Setelah generator dibebani, maka akan timbul arus jangkar yang menimbulkan fluksi jangkar Φa yang searah dengan vektor OA. Akibat interaksi kedua fluksi tersebut menimbulkan fluksi resultante Φr yang searah dengan vektor OC.


Gambar 2.15. Proses pergeseran bidang netral

Dengan timbulnya fluksi resultante Φr ini, maka garis netral magnetik yang seharusnya tegak lurus fluksi utama OB, kini berubah menjadi tegak lurus terhadap garis OC; yaitu searah garis ON. Kalau keadaan ini dibiarkan maka akan timbul bunga api pada sikat. Untuk menghilangkannya, maka sikat harus digeser posisinya sehingga sumbu sikat kembali menjadi tegak lurus terhadap arah vektor fluks utama. Namun akibatnya fluks utama akan berkurang dan terjadi demagnetizing effect jika sikat digeser berlawanan dengan arah putaran mesin. Bila setiap terjadi perubahan beban sehingga sikat harus digeser tentunya sangat tidak dinginkan. Untuk mengatasinya maka dibuatlah kutub komutasi dan kumparan kompensasi.

II.6. Pembangkitan Tegangan Induksi pada Generator Arus Searah Pembangkitan tegangan pada generator arus searah tergantung pada keberadaan fluks sisa (residual flux) pada kutub-kutub generator. Ketika generator bekerja untuk pertama kali, tegangan internal akan dibangkitkan yaitu


Ea = K Φres ω ..............................................................

(2.9)

Tegangan ini akan muncul di terminal generator yang mungkin sangat kecil. Namun ketika tegangan tadi muncul, maka arus akan mengalir ke kumparan medan generator If =

Vt ................................................................................ (2.10) Rf

Arus medan ini menghasilkan gaya gerak magnet (ggm) di kutub mesin yang mana akan menambah fluksi di dalamnya. Penambahan fluks ini akan menambah tegangan internal pada jangkar (Ea) yang pada akhirnya akan menmbah tegangan terminal generator (VT). Akibatnya ketika VT naik, maka If juga akan ikut naik, kemudian Φ akan naik dan kembali Ea dan VT naik dan begitu seterusnya. Proses pembangkitan tegangan ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Perhatikan bahwa peristiwa ini merupakan efek dari saturasi magnetik di permukaan kutub yang dapat membatasi tegangan terminal yang dibangkitkan generator.

Gambar 2.16. Proses pembangkitan tegangan pada generator arus searah


Gambar 2-16 menunjukkan pembangkitan tegangan generator dalam tahapantahapan yang berlainan. Tahapan-tahapan ini digambarkan untuk memperjelas feedback positif antara tegangan internal generator dengan arus medannya. Pada generator yang sesungguhnya, tegangan tidak dibangkitkan dalam tahapan-tahapan tertentu, malah sebaliknya antara Ea dan If naik secara serempak sampai keadaan tunak tercapai. Ada beberapa kemungkinan yang dapat menyebabkan tidak terjadi pembangkitan tegangan pada generator arus searah, yaitu : a. Kemungkinan tidak adanya fluks sisa b. Arah putaran generator mungkin terbalik c. Besar tahanan medan mungkin diset terlalu besar dari nilai tahanan kritisnya.

II.7. Pengaturan Tegangan Generator Arus Searah Ada dua cara yang dapat digunakan untuk mengatur tegangan pada generator dc shunt, yaitu : 1. Mengubah kecepatan ωm dari generator 2. Mengubah tahanan medan dari generator, sehingga merubah arus medannya. Mengubah tahanan medan adalah metode utama yang digunakan untuk mengatur tegangan terminal generator dc shunt. Jia tahanan medan Rf diturunkan, maka arus medan If = VT / Rf akan naik. Jika If naik maka akan terjadi penambahan fluks yang akan menaikkan tegangan internal generator Ea yang pada akhirnya akan menaikkan tegangan terminal VT.


II.8. Jenis-Jenis Generator Arus Searah Berdasarkan metode eksitasi yang diberikan, maka generator arus searah dapat diklasifikasikan dalam dua jenis:

II.8.1. Generator Arus Searah Berpenguatan Bebas (Separately Excited Generator). Pada jenis generator ini, fluks medan diperoleh dari sumber lain yang terpisah dari generator tersebut.

Gambar 2.17. Rangkaian Generator DC Penguatan Bebas

Tegangan searah yang diberikan pada kumparan medan yang mempunyai tahanan Rf akan menghasilkan arus If dan menimbulkan fluks pada kedua kutub. Tegangan induksi akan dibangkitkan. Jika generator dihubungkan dengan beban RL, dan Ra adalah tahanan dalam generator, maka hubungan yang dapat dinyatakan adalah : Vt = IL . RL ........................................................................ (2.11) Ea = Vt + Ia . Ra .................................................................. (2.12)


Ia = IL ................................................................................... (2.13) Drop tegangan pada sikat diabaikan

II.8.2. Generator Arus Searah Berpenguatan Sendiri (Self Excited Generator). Pada generator jenis ini, fluksi medan dihasilkan oleh rangkaian medan yang terdapat pada generator itu sendiri. Untuk jenis ini terbagi 3 jenis, yaitu :

1) Generator Arus Searah penguatan shunt

Gambar 2.18. Rangkaian Generator DC Shunt

I A = I F + I L …………………………………………………………. (2.14) VT = E A + I A R A ……………………………………………………… (2.15) IF =

VT ……………………………………………………………... (2.16) RF


2) Generator Arus Searah penguatan seri

Gambar 2.19. Rangkaian Generator DC Seri

I A = I S = I L ........................................................................................... (2.17) VT = E A − I A (R A + RS ) .......................................................................... (2.18)

3) Generator Arus Searah penguatan kompon a) Generator DC Kompon Panjang

Gambar 2.20. Rangkaian Generator DC Kompon Panjang

I A = I L + I F ………………………………………………………………. (2.19) VT = E A − I A (R A + RS ) …………………………………………………… (2.20)

IF =

VT ………………………………………………………………….. (2.21) RF 25


b) Generator DC Kompon Pendek

Gambar 2.21. Rangkaian Generator DC Kompon Pendek

I A = I L + I F ……………………………………………………………… (2.22) VT = E A − (I A R A + I L RS ) ………………………………………………… (2.23)

IF =

VT …………………………………………………………………. (2.24) RF

II.9. Efisiensi Generator Arus Searah Untuk menjelaskan efisiensi pada generator arus searah, dapat diamati diagram aliran daya pada generator dc berikut ini

Gambar 2.22 Diagram Aliran Daya Generator DC


Pada mesin dc (generator dan motor), ada tiga jenis efisiensi yang diperhitungkan, antara lain: 1. Efisiensi Mekanik.

ηm =

E a .I a B = ........................................ (2.25) A Daya Input Mekanik

2. Efisiensi Elektrik

ηe =

C VT .I L = .................................................................. (2.26) B E a .I a

3. Efisiensi Komersial Keseluruhan

ηc =

ηc =

C P out .................................................................. (2.27) = A P in

P in − ∑ P rugi P in

......................................................... (2.28)

Dimana : P out = VT . IL ...................................................................... (2.29)


BAB III GENERATOR DC PENGUATAN BEBAS DAN GENERATOR DC PENGUATAN SHUNT

III.1. Generator DC Penguatan Bebas Pada generator DC penguatan bebas, fluks medan diperoleh dari sumber lain yang terpisah dari generator tersebut. Tegangan searah yang diberikan pada kumparan medan yang mempunyai tahanan Rf akan menghasilkan arus If

dan

menimbulkan fluks pada kedua kutub. Tegangan induksi akan dibangkitkan. Jika generator dihubungkan dengan beban RL, dan Ra adalah tahanan dalam generator, maka hubungan yang dapat dinyatakan adalah : Vt = IL . RL ................................................... (3.1) Ea = Vt + Ia . Ra .............................................. (3.2) Ia = IL .............................................................. (3.3) Drop tegangan pada sikat diabaikan.

Gambar 3.1. Rangkaian Ekivalen Generator DC Penguatan Bebas


III.2. Karakteristik Generator DC Penguatan Bebas Karakteristik adalah grafik yang menyatakan hubungan antara dua besaran listrik yang menentukan sifat sebuah mesin. Karakteristik generator arus searah penguatan bebas dapat dijelaskan sebagai berikut.

III.2.1. Karakteristik Beban Nol Secara umum besarnya ggl yang dibangkitkan oleh generator di tulis sebagai: Ea =

ΦZn  p  ……………………………. (3.4) x 60  a 

Dimana: Z = jumlah konduktor jangkar n = kecepatan putar rotor (rpm) p = jumlah kutub generator a = banyaknya jalur arus paralel. Dari persamaan diatas, didapat hubungan: E a = kΦn ………………………………….…. (3.5) Dimana : k = suatu konstanta


Gambar 3.2. Kurva Beban nol Generator DC Penguatan Bebas

Ketika arus medan dinaikkan, fluks magnet akan meningkat, begitu pula dengan Ea yang berbanding lurus dengan arus medan tersebut pada saat kutub medannya belum jenuh. Hal ini direpresentasikan sebagai garis OB. Namun ketika kerapatan fluks meningkat terus, kutub generator menjadi jenuh, maka diperlukan peningkatan arus medan yang lebih tinggi untuk menaikkan tegangan yang sama ( Ea ) dibandingkan ketika kutubnya belum jenuh, daerah kejenuhan ini diwakili oleh garis BC. Untuk generator arus searah dengan penguatan sendiri ( generator arus searah shunt, seri, dan kompon ), karakteristik beban nolnya akan meningkat sama seperti sama seperti generator berpenguatan bebas, tetapi setelah generator sempat dioperasikan, walaupun arus medannya disetel menjadi nol ampere, ggl generator tetap dibangkitkan walau nilainya kecil ( OA ), hal ini disebabkan oleh adanya magnet sisa ( remanensi ).


III.2.2. Karakteristik Berbeban Karakteristik berbeban digambarkan sebagai kurva yang menunjukkan hubungan antara tegangan terminal Vt dan arus medan If ketika generator dibebani. Kurva ini sebenarnya diturunkan dari kurva beban nol yang dilengkapi dengan nilai reaksi jangkar dan resistansi jangkarnya. Karena kurva ini memperhitungkan efek demagnetisasi dari reaksi jangkar dan jatuh tegangan pada jangkar yang secara praktis tidak terdapat pada kondisi tanpa beban.

Gambar 3.3. Kurva Berbeban Generator DC Penguatan Bebas

Kurva beban nol pada gambar 3.2 digambarkan kembali sebagai kurva pada gambar 3.3, dimana terlihat pada gambar 3.3 tersebut pada keadaan tanpa beban, arus penguat magnet diperlukan untuk tegangan nominal tanpa beban yang digambar sebagai garis oa. Pada keadaan berbeban, tegangan akan berkurang akibat efek demagnetisasi dari reaksi jangkar. Pengurangan ini dapat diatasi dengan peningkatan arus penguat


magnet yang sesuai. Garis ac mewakili demagnetisasi ampere-lilitan per kutub yang ekivalen. Kemudian, berarti untuk membangkitkan ggl yang sama pada keadaan berbeban pada saat tidak berbeban, arus penguat magnet harus dinaikkan sebesar ac=bd. Titik d terletak pada kurva LS yang menunjukkan hubungan antara ggl E yang dibangkitkan pada keadaan berbeban dan arus penguat magnet. Kurva LS secara praktis paralel terhadap kurva ob. Tegangan terminal Vt akan lebih kecil daripada ggl E yang dibangkitkan, sebesar IaRa, dimana Ra adalah resistansi rangkaian jangkar. Dari titik d, sebuah garis vertical de = IaRa di gambar. Titik e terletak pada kurva pembebanan penuh untuk generator. Dengan cara yang sama, titik-titik lainnya dilengkapi dan kurva pembebanan penuh MP di gambar. Sudut kanan segitiga bde dikenal sebagai segitiga tegangan ( drop reaction triangle ). Kurva kejenuhan beban untuk setengah beban penuh dapat dilengkapi dengan menghubungkan titik tengah garis-garis mn, bd dan lain sebagainya.

III.2.3. Karakteristik Luar Karakteristik luar dari sebuah generator menunjukkan bagaimana perubahan tegangan terminal terhadap beban yang berubah-ubah. Pada gambar 3.4 diperlihatkan karakteristik luar untuk generator penguatan bebas.


Gambar 3.4. Kurva Karakteristik Terminal Generator DC Penguatan Bebas

Untuk mengatur tegangan terminal generator Vt dapat dilakukan dengan dua cara: 1. Dengan mengubah kecepatan putar generator. Dari persamaan 3.5 terlihat bila n meningkat, maka Ea akan menjadi besar dan dari persamaan 3.2 maka Vt akan menjadi besar juga. 2. Dengan mengubah medan arus penguat. Jika Rf kecil, maka If akan menjadi besar. Hal tersebut menyebabkan fluks magnet akan meningkat, dan dari persamaan 3.4 maka Ea akan meningkat juga, serta dari persamaan 3.2 maka Vt juga akan meningkat.


III.3. Generator DC Penguatan Shunt Generator arus searah penguatan sendiri memperoleh arus magnetisasi dari dalam generator itu sendiri, oleh karena itu arus magnetisasi terpengaruh oleh nilai – nilai tegangan dan arus yang terdapat pada generator. Dalam hal ini medan magnet yang dapat menimbulkan GGL mula – mula ditimbulkan oleh adanya remanensi magnet pada kutub – kutubnya. Pengaruh nilai – nilai tegangan dan arus generator terhadap arus penguat tergantung bagaimana kumparan medan dengan kumparan jangkar. Generator arus searah penguatan shunt adalah generator penguatan sendiri dimana kumparan medannya dihubungkan pararel dengan kumparan jangkarnya, seperti terlihat pada gambar berikut :

Gambar 3.5. Rangkaian Ekivalen Generator DC Shunt

Persamaan arus : I a = I f + I L ………………………………… ( 3.6 )


Dimana : Ia

= Arus jangkar ( Ampere )

If

= Arus medan ( Ampere )

IL

= Arus yang mengalir ke beban ( Ampere )

Persamaan tegangan : E a = Vt + I a Ra ……………………………… ( 3.7 ) Vt = I f R f

……………………………… ( 3.8 )

Dimana : Ea

= Tegangan Induksi ( Volt )

Vt

= Tegangan Terminal ( Volt )

Ra

= Kumparan jangkar ( Ohm )

Rf

= Kumparan Medan ( Ohm )

III.4. Karakteristik Generator DC Penguatan Shunt Karakteristik – karakteristik dari generator shunt hampir sama (sama bentuknya) dengan karakteristik – karakteristik generator penguatan bebas. Karakteristik generator DC shunt dijelaskan sebagai berikut.

III.4.1. Karakteristik Beban Nol Kurva ini menunjukkan hubungan antara kenaikan ataupun perubahan nilai pada arus medan shunt ( If ) dengan tegangan induksi yang dihasilkan ( Ea ). Pada generator penguatan sendiri seperti pada penguatan shunt If nilainya diatur dengan bantuan rheostat dan nilainya dapat dilihat pada amperemeter. Generator nantinya


diputar dengan kecepatan yang konstan sehingga hanya terdapat variasi nilai antara If dan Ea nya saja. Ea = Ea ( If ) dimana n = konstan dan IL = 0 Ia = I f Vo = Ea – If Ra Arus medan yang mengalir pada generator arus searah penguatan shunt sangat kecil, sehingga besarnya drop tegangan If Ra dapat diabaikan sehingga : V0 ≈ Ea( If ) ( Kurva magnetisasi ) V o = If R f Ea = c n φ

φ ~ If

Ea ≈ Vo = K1 If ………………………………… ( 3.9 ) Dari persamaan 3.9 terlihat bahwa antara Ea dan If membentuk hubungan linear hal ini dikarenakan K1 merupakan suatu konstanta, sehingga didapatkanlah kurva sebagai berikut :

Gambar 3.6. Kurva Beban Nol secara teoritis

Karena penguatan shunt ( Sumber dari generator itu sendiri), maka pada saat putaran nominal dan belum diberikan arus medan, telah ada tegangan remanensi (Tegangan sisa) akibat adanya fluksi sisa. Akibatnya pada kumparan shunt timbul


arus medan If, mengalirnya arus If akan memperkuat fluksi sisa tadi sehingga Ea nominal. Pada saat harga If tertentu mendekati nominal, akan timbul rekasi jangkar yang melemahkan fkusi medan, sehingga Ea yang dibangkitkan tidak lagi berbanding lurus dengan If, hal tersebut menyebabkan kurvanya menjadi :

Gambar 3.7. Kurva Beban Nol sebenarnya

III.4.2. Karakteristik Berbeban Karakteristik berbeban dapat diperoleh dengan cara yang sama seperti pada generator penguatan bebas. Sebenarnya karakteristik berbeban yang diperoleh untuk generator penguatan bebas dan generator shunt, adalah sama. Sedikit perbedaan dikarenakan arus-arus jangkar yang berbeda, Ia = IL + If untuk generator shunt dan Ia=IL untuk generator penguatan bebas. Perbedaan arus jangkar menghasilkan perbedaan reaksi jangkar, dan memberikan sedikit perbedaan drop tegangan untuk keduanya.


III.4.3. Karakteristik Luar Kurva karakteristik luar merupakan kurva pada saat generator arus searah penguatan shunt dalam keadaan berbeban. Dimana kurva ini menunjukkan hubungan antara tegangan jepit ( Vt ) sebagai fungsi dari arus pada beban ( IL ) pada putaran dan arus medan yang konstan. Vt = f ( IL ) ………… dimana n dan If konstan Dari persamaan 3.2 didapatkan : E a = Vt + I a Ra c.n.φ = Vt + I a Ra ……………. φ ~ If dan Ia = IL + If c.n.I f = Vt + ( I L + I f ) Ra …………… n, If, dan Ra konstan, maka :

K 1 = Vt + K 2 I L + K 3 K 1 − K 3 = Vt + K 2 I L Vt = ( K 1 − K 3 ) − K 2 I L Vt = K 4 − K 2 I L ………………………………… (3.10) Sehingga didapatkan untuk : IL = 0 Vt = 0

⇒ ⇒

Vt = K4 …………………………. (3.11) IL =

K4 ………………………… (3.12) K2

Dimana : K1 = Konstanta ( cnIf - If Ra ) K2 = Konstanta ( Ra )


Dari persamaan 3.11 dan 3.12 dapat digambarkanlah kurva karakteristik tegangan terminal ( Vt ) terhadap arus beban ( IL ) seperti gambar berikut ini :

Vt

Secara teori

Secara praktek

IL Gambar 3.8. Kurva Karakteristik luar Generator DC Shunt


BAB IV PERBANDINGAN KARAKTERISTIK LUAR GENERATOR DC PENGUATAN BEBAS DAN GENERATOR DC PENGUATAN SHUNT

IV.1. Pengujian Karakteristik Luar Generator DC Penguatan Bebas dan Generator DC Penguatan Shunt IV.1.1. Umum Karakteristik luar dari sebuah generator menunjukkan bagaimana perubahan tegangan terminal terhadap beban yang berubah-ubah dengan arus medan yang konstan. Pada generator DC shunt, arus medannya tergantung pada tegangan keluaran dan tahanan medan. Pada umumnya, tahanan medan ditentukan antara 0,5 sampai 5 persen dari total arus output generator. Sedikit perubahan tegangan output dapat dihiraukan. Perubahan ini disebabkan oleh keadaan bahwa, dengan kenaikan arus beban, jatuh tegangan ( IR ) pada kumparan jangkar meningkat, menyebabkan tegangan output berkurang. Untuk karakteristik luar Generator DC penguatan bebas yang memiliki arus medan yang tetap, tegangan output akan berkurang dengan bertambahnya arus beban. Pengurangan ini disebabkan oleh tahanan jangkar dan efek reaksi jangkar.

IV.1.2. Peralatan yang digunakan Adapun peralatan yang digunakan dalam percobaan ini adalah: 1. Generator DC Type GD 110/110, 220 V / 7,1 A (Armature), 220 V / 0,17 A (Field) 1,2 kW / 1400 rpm.


2. Motor DC (sebagai prime mover) Type GD 110/140, 220 V / 9,1 A (Armature), 220 V / 0,64 A (Field), 2 kW / 1500 rpm. 3. PTDC. 4. Digital LCR Multimeter TES 2712 5. Feedback Switch Unit EMT 180 A 6. Feedback Power Suplay PS189 7. Feedback Tacho Meter 8. Kabel .

IV.1.3. Percobaan Karakteristik Luar Untuk Generator DC Penguatan Shunt

IV.1.3.1. Umum Untuk mengetahui karakteristik luar dari generator DC shunt, maka generator dihubungkan dengan beban. Tujuannya adalah untuk melihat pengaruh perubahan arus beban terhadap tegangan jepit generator. Karakteristik luar didapat dengan :

V = f (IL) ; n = konstan If = konstan


IV.1.3.2. Rangkaian Percobaan

Gambar 4.1. Rangkaian Percobaan Karakteristik Luar

IV.1.3.3. Prosedur Percobaan 1. Rangkaian dibuat seperti gambar di atas 2. Tutup switch S1 dan switch S2, naikkan tegangan power suplay PS189, naikkan tegangan PTDC sehingga mesin berputar mencapai putaran nominalnya . 3. Maksimumkan tahanan medan Rf dan tutup switch S3 pada masing-masing rangkaian generator. 4. Atur PTDC sampai pembacaan tegangan terminal V2 mencapai nominal. Catat pembacaan V2 dan putaran generator T. dan pertahankan putaran generator konstan.


5. Tutup switch S4 lalu naikkan beban RL bervariasi dan dicatat pembacaan arus beban pada A3, pembacaan tegangan terminal pada V2 dan pembacaan Torsi T. Sementara putaran n dan If tetap dijaga konstan. 6. Minimumkan kembali PTDC dan buka semua switch untuk mematikan mesin. 7. Percobaan selesai.

IV.1.3.4. Data Hasil Percobaan n = 1400 rpm

If = 0,15 Ampere

Ra = 3,84 Ohm

IL ( Ampere )

VT ( Volt )

Torsi ( N-m )

0 0.69

200 194

1,0 1,7

0.76

193

1,9

0.87

190

2,2

0.97

188

2,3

1.1

186

2,5

1.31

179

2,9

1.6

171

3,3

2.06

162

4,1

2.85

152

4,3

4.54

144

5,0

5.9

94

3,1

4.05

53

1,0


IV.1.4. Percobaan Karakteristik Luar Untuk Generator DC Penguatan Shunt IV.1.4.1. Umum Untuk mengetahui karakteristik luar dari generator DC penguatan bebas, maka generator dihubungkan dengan beban. Tujuannya adalah untuk melihat pengaruh perubahan arus beban terhadap tegangan jepit generator. Karakteristik luar didapat dengan : V = f (IL) ; n = konstan If = konstan

IV.1.4.2. Rangkaian Percobaan

Gambar 4.2 Rangkaian Percobaan karakteristik Luar Generator DC Pnguatan Bebas


IV.1.4.3. Prosedur Percobaan 1. Rangkaian dibuat seperti gambar di atas. 2. Tutup switch S1 dan switch S2, naikkan tegangan power suplay PS189, naikkan tegangan PTDC sehingga mesin berputar mencapai putaran nominalnya . 3. Tutup switch S3, naikkan arus medan generator sampai mencapai nominal. 4. Atur PTDC sampai pembacaan tegangan terminal V2 mencapai nominal. Catat pembacaan V2 dan putaran generator T. dan pertahankan putaran generator konstan. 5. Tutup switch S4 lalu naikkan beban RL bervariasi dan dicatat pembacaan arus beban pada A3, pembacaan tegangan terminal pada V2 dan pembacaan Torsi T. Sementara putaran n dan If tetap dijaga konstan. 6. Minimumkan kembali PTDC dan buka semua switch untuk mematikan mesin. 7. Percobaan selesai.


IV.1.4.4. Data Hasil Percobaan n = 1400

If = 0,15 Ampere

Ra = 3,84 Ohm

IL ( Ampere )

VT ( Volt )

Torsi ( N-m )

0

200

0,75

0,66

197

1,3

0,70

197

1,35

0,80

194

1,4

1,04

195

1,7

1,25

193

1,8

1,53

193

2,0

1,87

190

2,3

2,15

188

2,7

2,50

184

3,1

3,01

182

3,7

3,32

182

3,9

3,56

180

4,2

4,01

179

4,5

4,5

177

4,9

5,03

175

5,2

5,56

173

5,5

6,05

170

5,7


IV.2. Analisis Karakteristik Luar Generator DC Penguatan Bebas Dengan Generator DC Penguatan Shunt a. Analisis Karakteristik Luar Generator DC Penguatan Shunt Vt = f ( IL ) ………… dimana n dan If konstan E a = Vt + I a Ra

c.n.φ = Vt + I a Ra ……………. φ ~ If dan Ia = IL + If c.n.I f = Vt + ( I L + I f ) Ra …………… n, If, dan Ra konstan, maka :

K 1 = Vt + K 2 I L + K 3 K 1 − K 3 = Vt + K 2 I L Vt = ( K 1 − K 3 ) − K 2 I L Vt = K 4 − K 2 I L Sehingga didapatkan untuk : IL = 0 Vt = 0

⇒

⇒

Vt = K4 IL =

K4 K2

Dimana : K1 = Konstanta ( cnIf - If Ra ) K2 = Konstanta ( Ra )


•

Menghitung besar tegangan induksi yang di bangkitkan pada jangkar: ‫ܧ‬௔ ൌ ܸ௧ ൅ ‫ܫ‬௔ ܴ௔ → ‫ܫ‬௔ ൌ ‫ܫ‬௅ ൅ ‫ܫ‬௙ ‫ܧ‬௔ ൌ ܸ௧ ൅ ൫‫ܫ‬௅ ൅ ‫ܫ‬௙ ൯ܴ௔

Dari data percobaan maka di dapat: 1. Ea = 200 + (0+0,15) x 3,84 = 200,576 Volt 2. Ea = 194 + (0,69+0,15) x 3,84 = 197,2256 Volt 3. Ea = 193 + (0,76+0,15) x 3,84 = 196,4944 Volt Harga Ea yang lainnya dapat di lihat dalam tabel berikut: IL ( Ampere )

VT ( Volt )

Ea ( Volt )

0 0.69

200

194

200,576 197,2256

0.76

193

196,4944

0.87

190

193,9168

0.97

188

192,3008

1.1

186

190,8

1.31

179

184,6064

1.6

171

177,72

2.06

162

170,4864

2.85

152

163,52

4.54

144

162,0096

5.9

94

117,232

4.05

53

69,128


Kurva karakteristik luar secara teoritis dapat digambarkan sebagai berikut:

Tegangan Terminal VT (Volt)

250 200 150 100 50 0 0

20

10

30 40 Arus Beban IL (Ampere)

50

60

Gambar 4.3. Kurva Karakteristik Luar Generator DC Shunt Secara Teori

Dari data hasil pengujian karakteristik luar generator DC penguatan shunt, dapat di lihat kurva karakteristik luar sebagai berikut;


250 200 150 100 50 0 0

1

2


5

6

7

Gambar 4.4. Kurva Karakteristik Luar Generator DC Shunt yang di dapat dalam pengujian


Dari kedua kurva diatas terdapat perbedaan yang mencolok antara kurva karakteristik luar generator DC shunt yang di dapat dari teoritis dengan kurva yang di dapat dari hasil pengujian.

b. Analisis Karakteristik Luar Generator DC Penguatan Bebas Vt = f ( IL ) ………… dimana n dan If konstan

E a = Vt + I a Ra c.n.φ = Vt + I a Ra ……………. φ ~ If dan Ia = IL c.n.I f = Vt + I L Ra …………… n, If, dan Ra konstan, maka :

K 1 = Vt + K 2 I L Vt = K1 − K 2 I L Sehingga didapatkan untuk : IL = 0 Vt = 0

⇒

⇒

Vt = K1 IL =

K1 K2

Dimana : K1 = Konstanta ( cnIf ) K2 = Konstanta ( Ra )

•

Menghitung besar tegangan induksi yang di bangkitkan pada jangkar:

‫ܧ‬௔ ൌ ܸ௧ ൅ ‫ܫ‬௔ ܴ௔ → ‫ܫ‬௔ ൌ ‫ܫ‬௅ ‫ܧ‬௔ ൌ ܸ௧ ൅ ‫ܫ‬௅ ܴ௔


Dari data percobaan di dapat: 1. Ea = 200 + ( 0 x 3,84 ) = 200 Volt 2. Ea = 197 + ( 0,66 x 3,84 ) = 199,5344 Volt 3. Ea = 197 + ( 0,7 x 3,84 ) = 199,688 Volt Harga Ea yang lainnya dapat di lihat dalam tabel berikut: IL ( Ampere )

VT ( Volt )

Ea ( Volt )

0

200

200

0,66

197

199,5344

0,70

197

199,688

0,80

194

197.072

1,04

195

198.9936

1,25

193

197.8

1,53

193

198.8752

1,87

190

197,1808

2,15

188

196,256

2,50

184

193,6

3,01

182

193,5584

3,32

182

194,7488

3,56

180

193,6704

4,01

179

194,3984

4,5

177

194,28

5,03

175

194,3152

5,56

173

194,3504

6,05

170

193.232


Kurva karakteristik luar secara teoritis dapat digambarkan sebagai berikut:


250 200 150 100 50 0 0

20

10


50

60

Gambar 4.5. Kurva Karakteristik Luar Generator DC Penguatan Bebas Secara Teori

Dari data hasil pengujian karakteristik luar generator DC penguatan bebas, dapat di lihat kurva karakteristik luar sebagai berikut;


205 200 195 190 185 180 175 170 165 0

1

2


5

6

7

Gambar 4.6. Kurva Karakteristik Karakteristik Luar Generator DC Penguatan Bebas Pada Pengujian


c. Perbandingan Karakteristik Luar Generator DC Penguatan Bebas Dengan Generator DC Penguatan Shunt Pada generator DC shunt, arus medannya tergantung pada tegangan output dan tahanan medan. Perubahan tegangan output ini disebabkan oleh keadaan bahwa, dengan kenaikan arus beban, jatuh tegangan (IR) pada kumparan jangkar meningkat, menyebabkan tegangan output berkurang. Hasilnya, arus yang mengalir pada kumparan medan menurun, mengurangi medan magnetik dan menyebabkan tegangan output berkurang sedikit. Jika arus beban lebih tinggi daripada kapasitas dari generator, penurunan tegangan output menjadi besar. Untuk arus beban dengan kapasitas yang tidak melebihi generator, penurunan tegangan output dapat minimal. Sedangkan karakteristik luar Generator DC penguatan bebas, tegangan output akan berkurang dengan bertambahnya arus beban. Pengurangan ini disebabkan oleh tahanan jangkar dan efek reaksi jangkar. Jika fluksi medan konstan, tegangan yang dibangkitkan akan cenderung mendekati konstan dan tegangan output akan sama dengan tegangan yang dibangkitkan dikurangi drop IR dari rangkaian jangkar. Grafik perbandingan karakteristik luar generator DC shunt dan generator DC penguatan bebas dapat di lihat di bawah ini.


Karakteristik Generator DC Penguatan Bebas


250

Karakteristik Generator DC Shunt 200 150 100 50 0 0

1

2


5

6

7

Gambar 4.7. Kurva Perbandingan Karakteristik Luar Generator DC Shunt Dengan Generator DC Penguatan Bebas.

Dari kedua kurva di atas terlihat bahwa karakteristik luar generator DC shunt lebih cepat membelok ke sumbu x dari pada kurva yang diatasnya ( karakteristik luar generator DC penguatan bebas ). Ini disebabkan karena arus penguat magnet (arus medan) If pada generator DC penguatan bebas tetap besarnya, sedangkan pada generator DC shunt ini arus penguat magnet If berkurang sebanding dengan tegangan jepit. Oleh karena itu Ea menjadi lebih kecil, hal ini mengakibatkan tegangan jepit yang lebih rendah dan arus medan yang lebih kecil. Medan magnet menjadi lebih lemah lagi dan tegangan jepit makin bertambah rendah.


BAB V PENUTUP

V.1. Kesimpulan Berdasarkan hasil analisa dan uraian pada bab-bab sebelumnya, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Pada generator DC penguatan shunt penurunan tegangan terminal akan semakin besar bila terus-menerus dibebani dan pada akhirnya akan mencapai titik hubung singkat, ketika tegangan terminal turun arus medan If pada mesin ikut turun. Ini menyebabkan fluks pada mesin turun sehingga nilai Ea turun yang menyebabkan tegangan terminal akan turun lebih jauh. 2. Tegangan terminal pada generator DC penguatan bebas akan tampak lebih stabil daripada tegangan terminal generator DC penguatan shunt. 3. Pada arus beban sebesar 5,9 ampere kurva karakteristik luar generator DC penguatan shunt akan mulai membelok ke arah sumbu x (menuju titik hubung singkat).


DAFTAR PUSTAKA

1.

Bimbhra, Dr.P.S., “Electrical Machinery”, Khanna Publishers, New Delhi, 1994

2.

Chapman,Stephen J, ”Electric Machinery Fundamentals”, 3rd Edition, Mc Graw – Hill Book Company, Singapore, 1999.

3.

Dawes, Chester L, “Electrical Engineering : Direct Current”, Fourth Edition, McGraw-Hill Kogakusha, Tokyo, !955.

4.

Mehta, V.K, dan Mehta, Rohit, ”Principle Of Electrical Machines”, S.Chand & Company LTD, New Delhi, 2002.

5.

Nagrath, I.J , ”Electric Machines”, Tata McGraw-Hill, New Delhi, 1988

6.

Sumanto, ”Mesin Arus Searah”, Andi Offset, Yogyakarta, 1991.

7.

Theraja, B.L, ”A Text-Book Of Electrical Technology”, Nurja Construction & Development, New Delhi, 1989.


DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2008

Recommend Documents